油井出砂对下游终端设施的影响及防控措施
曹志兴1，赵威1*，张子之2，李源2，邱爽1，李勇1
（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452）
（中海石油（中国）有限公司曹妃甸作业公司，天津300459）
摘 要：在油气的开采过程中，由于地质因素及开采作业的影响，使得油气井产出物流中伴随着固体砂粒，造成油气井出砂的问题。出砂问题不但严重影响了油气井的产能，增加了设备维修维护成本，同时给油田的安全生产造成了巨大的安全环保压力。本文以渤海某油田FPSO为例，通过介绍油井出砂对下游终端设施流程及设备产生的不利影响，以及在实际生产中采取的防控措施，以期达到对面临同样问题的设施提供经验和借鉴。
关键词：油井出砂、终端设施、不利影响、防控措施
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：
Influence and Preventive Measures of Sand Production of Oil Well on Downstream Terminal Facilities
CAO Zhixing,Zhao Wei,Zhang Zizhi,Li Yuan, Qiu Shuang,Li Yong
（1.CNOOC Energy Technology ＆ Services Oil Production Services Company, Tianjin 300452，China;）
Abstract: The production and logistics of oil and gas wells are accompanied by solid sand particles in the exploitation process due to the influence of geological factors and exploitation operations, resulting in sand production of oil and gas wells. The problem of sand production seriously affects the productivity of oil and gas wells, increases the cost of equipment maintenance, and brings extreme pressure on safety and environmental protection for the safe production of oil fields. This paper introduces the adverse effects of sand production from oil wells on downstream terminal facilities and equipment on an FPSO in the Bohai oilfield, as well as the preventive measures taken in the production process. The results could provide a reference for facilities facing the same problems.
Keywords: oil well sand production, terminal facilities, adverse effects, preventive measures
1.前言
油气井出砂问题是我国在油气资源开采过程中遇到的较为普遍的问题，尤其是在油气开采的中后期，油气田进入到高含水开发阶段，出砂问题更为严重，表现为出砂量大且持续时间长[1]。油气井大量出砂会给油田的正常生产带来许多问题：一方面砂粒会磨蚀井下及井口设备，导致油管、套管及电泵损坏或油井停产，甚至报废，使原油生产成本增加；另一方面，出砂将使地层砂粒随流体流进井筒，引起井眼或者地层堵塞，甚至砂埋地层，使开采层渗透率降低，影响油井产能[2]；此外，油气井出砂还会对下游生产设施造成很大的危害，如对压力容器、管道、电泵、阀门等地面设备产生磨蚀，堵塞管线造成停产，损坏计量仪表，使加热器及分离器等装置积砂过多处理能力降低[3]，影响外输原油品质等问题。近些年来油气井出砂问题受到格外的重视，但是主要集中在油气井及井下设备方面，而忽略了对下游终端设施的影响，导致经济效益受损，因此对于油气井出砂对下游终端设施影响的研究具有重要意义。本文以渤海某油田终端设施为例，通过介绍油井出砂对该设施产生的不利影响，以提高对油井出砂产生的危害的认知程度。
2.油气井出砂原因及机理
油气井出砂的原因分为内因和外因，但归根结底是由于井底地层结构遭到破坏引起的。在地层未打开时，地层内部整个应力系统是平衡的，处于稳定的状态；当地层打开后，近丼地带的地层的平衡状态被破坏，一旦地层中的岩石颗粒所承受的应力发生改变并超过其抗剪或抗压强度，地层将会产生变形，从而导致地层结构遭到破坏，最终导致岩石颗粒从母体中剥离，随流体进入井筒中，造成地层出砂。因此从力学角度看，地层出砂的机理主要有以下两点：
1) 剪切破坏机理
在油气井生产过程中，垂直方向上，油藏上覆岩层压力与孔隙压力和支撑骨架应力共同作用的平衡被破坏[4]。随油藏的持续开采，孔隙中油气被采出后，孔隙压力逐渐降低，就使得施加在岩石骨架上的压力越来越大，当上覆压力超过岩石的抗剪切应力时，岩石就会受力而被剪切破坏，形成松散的地层砂，最终导致地层出砂。如图1所示：
图1 剪切破坏机理 图2 拉伸破坏机理
2) 拉伸破坏机理
当油藏投入开采后，在水平方向上，油藏压力与井筒液柱压力的平衡被打破，当油藏压力大于井筒中液柱压力时，流体从地层中渗流至井筒，如图1所示，渗流过程中因与地层颗粒产生摩擦力，流速越大，摩擦力越大，施加给岩石颗粒的拖拽力越大，当拖拽力超过岩石的抗拉强度时，岩石发生拉伸破坏从而导致地层出砂[4]。
地层出砂就是在这两种机理同时作用下引起的，当地层因剪切破坏而损害后，则更容易发生地层颗粒在产液拖拽力作用下运移，从而导致更严重的出砂。
3.油气井出砂对下游终端设施的影响
与油气物流共同产出的砂粒随着流体的运移进入到下游生产设施，会对下游生产设施产生严重的影响，不但降低生产流程处理能力、增加设备的运维成本，而且给设施增加了巨大的安全环保压力，下面以渤海某FPSO位例，介绍一下上游油井出砂对该设施造成的不利影响。该FPSO所在该油田已经投产十余年，油田为边、底水油藏为主，处于特高含水阶段，为了提高产量，对该生产设施油井更换了排量为3000方/天大泵，通过提高产液量来提升产量，油井上线后陆续出现出砂情况，通过海底管线输送到下游终端设施，对FPSO的正常生产造成了严重影响。
3.1油井出砂对海底管线的不利影响
海底管线输送含砂流体会降低海管的使用寿命，造成这一结果的主要原因有两方面，一是含砂流体对海管的冲蚀作用，二是由于海管内砂沉积导致的腐蚀问题。冲蚀是当小固体颗粒不断撞击壁面致使管内壁材料受到侵蚀而逐渐脱落、失效的过程，海底管线及其部件在输送含砂流体时，随着流体冲刷或流体方向的改变，颗粒将会不断撞击管道壁面形成冲蚀，使管壁遭受冲蚀破坏[5]，尤其是在管道局部的异性构件处，如管道弯头、三通管以及异径管等处冲蚀最为严重[6]。砂沉积指的是在管道运输油气的过程中由于流速较低或者地势改变等因素，导致砂粒在管道某些地方沉积下来的现象，主要受颗粒的大小、形状和密度，流体的流速、密度、粘度，地形的起伏等因素等影响。砂沉积对管线造成腐蚀问题主要体现在以下三方面：1.管道内砂沉积会降低缓蚀剂的有效浓度，从而导致缓蚀剂缓蚀效率降低，起不到应有的缓蚀效果[7]；2.砂沉积会给细菌提供适宜生存的环境，大大加剧细菌腐蚀；3.造成电偶腐蚀，加剧局部腐蚀及缝隙腐蚀的产生[8]。在冲蚀作用和砂沉积腐蚀的共同影响下，加剧了海底管线的内腐蚀情况，研究表明在管道流速较低的情况下冲蚀作用影响较小，砂沉积腐蚀起主要作用，当管道流速较高时，砂沉积腐蚀影响较小，冲蚀作用起主要作用[9]。
该油田2016年海管内检测时发现，上游某出砂平台海管内腐蚀较为严重，出砂检测数据分析，整条海管发现111处单独金属损失特征和10处金属损失集群，最深的一处腐蚀深度达原始壁厚的55%，具体数据分布见表1所示：
表1根据深度值列出的金属损失数量表
根据深度值列出的金属损失数量 | |||||
深度 | 全部 | 内部 | 外部 | 内部集群 | 外部集群 |
d ≥ 80% | － | － | － | － | － |
70% ≤ d <80% | － | － | － | － | － |
60% ≤ d <70% | － | － | － | － | － |
50% ≤ d < 60% | 2 | 2 | 0 | 0 | 0 |
40% ≤ d < 50% | 11 | 8 | 0 | 3 | 0 |
30% ≤ d < 40% | 11 | 10 | 0 | 1 | 0 |
20% ≤ d < 30% | 40 | 36 | 0 | 4 | 0 |
10% ≤ d < 20% | 57 | 55 | 0 | 2 | 0 |
合计 | 121 | 111 | 0 | 10 | 0 |
通过数据表格我们可以发现，油井出砂对于海底管线产生的不利影响很大，不但降低了海管的使用寿命，增加了维护成本，同时为油田带来了巨大的环保压力。
3.2油井出砂对某FPSO生产流程的影响
地层砂粒随着油井产出液进经过海底管线进入到下游终端设施，进入到油水处理流程中，导致某FPSO原油处理流程和生产水处理流程紊乱，不但增加了操作维护人员的工作压力，而且大大降低了设备的处理能和流程的处理效率，对下游终端设施造成了很不利的影响。
3.2.1对原油处理流程的影响
砂粒随着油井物流进入到一级分离器中，在一级分离器中沉降下来并逐渐堆积起来，导致一级分离器的有效容积减少，设备处理能力和效率降低，直接导致一级分离器的油相出口含水过高，进而给二级分离器的处理带来压力，同理二级分离器也同样面临此问题，二级分离器的处理效率降低后，给电脱的处理压力就增大了。早期时表现为各分离器油相出口含水增高，分离器脱水能力变差，最终在提高破乳剂注入量和电脱的共同作用下，能够保持流程的相对稳定，下舱原油含水正常。图3是流程正常时和出砂影响下各分离器油相含水对比图，从图中很明显可以看出受出砂影响分离器油相含水升高。
图3 正常情况与出砂影响情况下各分离器油相含水对比图
随着砂粒在一级分离器中堆积的量越多，流程会进一步恶化，分离器中的砂粒会逐级进入到下游的分离器中，导致原油处理流程紊乱。主要有两方面的因素导致，一是因为砂粒在罐体中堆积，分离器处理能力严重下降，油井物流处理时间缩短；二是因为砂粒是一种乳化剂，导致原油中乳化程度增高且不能够通过提高破乳剂来解决。最终导致的结果是各分离器界面紊乱、下舱原油不合格、水系统水质急剧变差，如图4、5、6所示：
图4 油井出砂（左）与正常生产（右）时分离器界面状态对比图
图5 下舱原油含水情况 图6 分离器水质状态图
从图4中可以看出，分离器界面紊乱、底部砂粒堆积较多、油水无法彻底分离开来；从图5可以看出，下舱原油中已经含有部分砂粒、原油中乳化和含水已经超过标准值；从图6可以看出，由于砂粒的影响导致分离器水出口水质急剧变差，并含有砂粒，进入到水系统后，已经无法通过调整水系统药剂和加强收油等方式进行处理，超过了水系统的除油能力，导致水处理系统瘫痪。
3.2.2对生产水处理流程的影响
原油处理系统分离出来的生产水进入到生产水处理系统，由于原油处理系统紊乱，油水分离效果差，且水中含砂，导致进入到水系统中的生产水水质极差。经过处理后各级水质均较正常情况下有很大的升高，如图7所示：
图7 正常情况与出砂影响情况下各各级水质对比图
由图7可以看出，油井出砂对于终端设施的水处理系统影响也非常大，各级水质较之正常生长时都有很大幅度的升高，水处理系统的处理压力很大。在整个系统调控期间，生产污水由于水质较差，水系统操作过程中增加了撇油器、浮选器及核桃壳过滤器的收油频次、甚至直接将生产污水转至下舱流程，导致污油水生成量大大增加，为污油水的处理造成了巨大压力。
3.2.3对污油水处理流程的影响
该FPSO已经实现了生产水的零排放，产出的生产水只能通过注水泵注入到平台的水井中或暂存在污油水舱中，因此污油水的处理对于该FPSO生产流程的调控及油田产能的释放至关重要。该FPSO的产生的污油水通过舱内的货油泵转入到生产流程进行回炼。
当生产流程积砂较为严重时，砂粒随着生产流程进入到原油处理系统和生产水处理系统。在流程调控期间，如水系统各设备收油、电脱系统排放乳化油等，使得砂粒进入到开闭排系统中，并最终通过转液泵进入到污油水舱中。砂粒进入到污油水舱中给污油水回炼造成了很大的困难，主要体现在两方面：1.含砂污油水进入到流程中导致生产流程紊乱，无法进行处理，形成一个恶性循环；2.砂粒对舱内的低位泵造成磨蚀，缩短了低位泵的使用寿命。最终需要对舱室进行清舱作业，将舱室底部的砂粒杂质的清出，才能解决此问题。舱内污油水状态如图8所示：
图8 舱内污油水状态图（左）及离心后状态（右）图
3.3油井出砂对某FPSO设备的影响
砂粒进入到流程中会对生产设备及管道造成很大的危害：砂粒随着流体高速流动引起冲刷腐蚀，对管道、压力容器、泵类、阀门及仪表等设备造成磨蚀，影响其正常工作状态，严重影响油田的正常生产。
3.3.1出砂对离心泵的的影响
该FPSO的生产流程中使用的泵类，很大一部分是离心泵，如原油系统的生产水泵、生产水系统的注水增压泵和注水泵、外输系统舱室内的货油泵等。输送含砂流体中的离心泵，很容易遭到砂粒的冲击磨蚀破坏，其安全性和稳定性受到严重威胁[10]。磨蚀破坏导致离心泵效率低下，产生振动和噪声，检修作业频繁，维护成本增加。如生产水泵在半年内发生了12次机封漏水和泵壳刺漏的情况，个别泵的泵壳磨蚀严重，如图9所示；6台注水增压泵在半年时间中因机封漏液和轴承问题维修共6次，是流程正常时的6倍，泵入口滤器清洗频次由原来的每月1次变成每周1次，注水泵入口滤器由原来的每季度1次提高至每月1次，且在滤器中发现较多砂粒。由于出砂的影响，大大增加了工作量和维护成本，统计如图10所示。
图9 生产水泵泵壳被磨蚀情况
图10 正常情况与出砂影响下离心泵维护频次对比图
3.3.2出砂对流程仪表的影响
在油气处理流程上有许多精密的仪表设备，用来监测流程的各项参数，反馈给现场工作人员，工作人员通过观察这些参数的变化来判断流程的运行情况并及时做出调整以保证流程的稳定运行。而一旦油气物流中携带砂粒后，经常会出现砂粒进入到仪表设备中，导致仪表元件失灵或者故障，不但给工作人员带来巨大的精神压力，还增加了运维成本和工作量，而且如果带逻辑关停信号的仪表元件发生故障，很有可能使油田发生关停，造成产量损失。该FPSO由于油井出砂因素影响，导致流程仪表设备的运维工作量增加了近2倍，而且造成了多次设备关停，严重影响了设施的安全生产。
3.3.3出砂对流程管线阀门的影响
含砂流体在管线中流动，砂粒会对管线和阀门造成磨蚀，尤其是在管线弯头、变径或者是三通处，会造成管线阀门刺漏、阀门密封失效等问题。如果出砂严重，砂粒还会在管线中沉积，导致管线处理能力下降甚至管线堵塞等问题，从而造成设备关停。该设施由于油井出砂原因导致多处管线刺漏及管线堵塞的情况及阀门刺漏、密封失效的情况。油井出砂给下游终端设施造成的危害是非常广泛的。
3.3.5出砂对设施工作量的影响
上游油井出砂给下游终端设施流程设备的稳定运行带来了巨大挑战，不但给工作人员造成了精神压力，工作量也成倍增加。由于砂粒在容器罐体内部沉积，为降低对流程的影响，排砂工作是必不可少的，每天都需要至少2名工作人员专职排砂，对6个分离器和3个撇油器排砂。每天能够排满16个岩屑箱，排砂工作不单纯是一个专业的工作，还涉及到岩屑箱的倒运吊装、含油垃圾返陆地处理、船舶安排等各项工作，是一项系统性工作，既增加了工作成本，又增加了工作风险。
所以说油井出砂带来的危害是全方面的，不只是对井口平台的设备设施造成不利影响，对下游终端设施的危害也是巨大，严重影响了经济效益。
4.结论及建议
油井出砂给下游终端设施的安全运行带来了严重的威胁，造成了巨大的经济损失，为消除或降低油井出砂造成的危害，现场作业人员采取了以下措施来应对油井出砂，主要有以下几方面：
① 调整上游平台出砂油井的生产工作制度，降低油井频率、控制生产压差，从而控制出砂量。“严防死守”会导致油井产能受限，将油井出砂控制在一定的程度，保持油井适度出砂[11-16]，既可以保证油井产能，又可以避免油井及相应设备遭到破坏，获得最大的投入产出比。所谓的适度出砂其目的就是为了在防砂和生产之间寻找最优的生产方案，对油井产能进行优化，最终达到提高油井产量，延长油井寿命，减小产能损失，使出砂量控制在一个可接受的范围内。
② 建立油井出砂情况摸排跟踪制度。终端设施每天对海管来液进行取样，观察含砂情况并进行记录，如发现有出砂情况，立即反馈上游平台对油井进行逐个摸排，确定出砂油井，并及时调整油井工作制度，控制出砂量在合理范围内。
③ 定期进行海管通球作业，清除海管内沉积的砂粒，削弱砂沉积造成的管线内腐蚀，延长海管使用寿命。同时按照要求对海管开展内检测作业，及时了解海管腐蚀状况，以便采取有效应对措施。
④ 对FPSO各分离器及撇油器进行排砂工作。改造排砂流程，将沉积在分离器和撇油器底部的砂粒排放到现场的岩屑箱中，返回陆地处理。
⑤ 利用年度关停机会，对分离器进行清罐作业，清除罐底沉积的大量积砂，恢复正常的处理能力；进行污油水的清舱作业，清除舱底积砂，避免污油水处理受到砂粒杂质的影响。
⑥ 调整设备维保的频次，如缩短生产水泵、注水增压泵的滤网的清洗周期，根据流程需求调整滤网型号，更换成孔径更小的滤网等等。
⑦ 设备备件采购充足，尤其是关键设备备件，避免出现因备件不足导致设备停运而导致油田限产，造成产量损失。
⑧ 优化船舶资源利用，做好油类垃圾返陆地处理计划。频繁的排砂工作，产生了大量的含油泥砂等油类垃圾，需要定期返回陆地进行处理，并将空污油罐返回生产设施使用，一旦海上生产设施污油罐短缺影响流程排砂工作，即会导致生产流程恶化，因此船舶资源合理利用对生产流程也会产生较大影响。
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第一作者简介：曹志兴（1988），男，本科，工程师，现从事海上油田生产管理工作。
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